摘 要

物体的三维特征，是它最重要也是最基本的特征之一，在实际生活中具有相当重要的意义，因此三维测量方法的应用就显得很重要，因为它可以完美地提现其真实性。实现三维特征测量的方法有许多，如飞行时间法，激光三角法等，但这些方法或有测量精度低，或有测量成本高等问题，本文采取了一种新的基于相位编码的结构光三维测量方法。在理论可行的基础上，本文也充分考虑到了实验的实现条件和难度。结构光三维成像技术，成像结果稳定，精度高，成本也低，同时还易于识别。本文设计的这种方法，与传统方法相比，产生的相位更加准确可靠，因为它具备自行校正的优点。我们以相移法为主要理论基础，辅以具体的实验设计，取得了预期的实验效果，验证了这一方案的可行性。

关键词：光学三维测量 相位编码 相移法 相位展开技术

Abstract

The three-dimensional characteristics of the object, it is the most important one of the most basic features, has a very important significance in the real life, so the application of 3D measurement method is very important, because it can perfectly present its authenticity. There are many method to realize 3D feature measurement, such as time-of-flight method, laser triangulation method, but these methods have low accuracy, or high cost of measurement, this paper adopted a new structure based on phase encoding optical 3D measurement method. On the basis of theoretical feasibility, the paper also takes into account the conditions and difficulties of the experiment. The structure light three-dimensional imaging technique has the advantages of stable imaging result, high accuracy, low cost and easy identification. Compared with the traditional method, this method is more accurate and reliable because it has the advantage of self correcting. We use phase shift method as the main theoretical foundation, supported by specific experimental design, gets the expected results, verify the feasibility of this scheme.

Keywords：Optical 3D measurement, phase encoding, phase shifting method, phase unwrapping technique

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2常用的三维测量方法 2

1.2.1激光三角法 3

1.2.2莫尔条纹轮廓术 3

1.2.3飞行时间法 4

1.2.4相位测量轮廓术 5

1.2.5傅里叶变换技术 5

1.3光学三维测量的研究现状和发展前景 6

1.4本文的研究方向 7

第2章 关于相位展开技术 8

2.1什么是相位展开技术 8

2.2相位展开的意义 8

第3章 基本原理 10

3.1三步相移法 10

3.2.编码条纹图案的强度归一化处理 11

3.3基于相位编码的相位展开技术 12

第4章 实验过程与分析 14

第5章 总结和展望 17

5.1总结 17

5.2展望 17

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

结构光三维成像的技术，即利用投射结构光照明的方式去获取物体的三维形貌特征，是所有三维技术中的一种很重要的方法。结构光三维成像技术有很多其他三维技术所不具备的特点，比如，成像效果稳定，点云稠密，成像精度高，操作成本低等等。故而，这种技术已经在很多领域得到了广泛的应用，具有相当积极的研究意义和实用价值。
根据投射图案的不同特点，结构光法大致可以分为两类，即点、单线结构光法和编码结构光法。其中，点、单线结构光法的结构简单，但是其测量效率较低，因此只能在一部分特殊场合中使用。而编码结构光法，则是三维测量领域的一个重要分支，这种方法也因其高可靠性、高测量效率，易于判断和识别等特点，已经成为了三维测量领域的研究热点。
如今，国内外在基于相位编码的结构光三维测量技术这一块儿的研究，主要集中于提高其测量的精度和速度这些方面，当然，也有许多关键的新技术围绕着这些方面产生。当前，研究领域已经公认结构光三维测量算法是最具备实用价值和发展潜力的三维视觉测量方法。
结构光法，就是先把设计好的图案进行编码之后，再投向实际待测物体，用其他位置的相机对图案进行拍摄变形图像，最后再运用相应的数学算法和传感器等进行计算，即可得到待测物体的三维信息。
当今世界是一个高度信息化，高度自动化的时代，在计算机视觉领域，结构光三维数据测量技术是一个重要课题，三维信息的场景也得到越来越广泛的应用，甚至已经深深地进入并改变着我们的生活，比如无人汽车、3D影视、体感游戏机、机器人的视觉系统、工业生产的质量监控和检测、逆向工程等等，在国际上，三维测量技术的应用也日益普及，最具代表性的典型产品，如德国GOM公司生产的ATOS三维数字化测量仪，这一产品就采用了基于结构光的三维相位检测技术，即向被测工件投射光束，由两个CCD接收其产生的变形光栅，再用STL格式输出测量结果，进入CAD系统或者数控机床之后，实现反求。另外，在虚拟现实、文物保护、计算机仿真、影视制作等领域，这一技术也愈发得到人们的青睐。
可见，研究基于相位编码的结构光三维测量技术，不但具有重要的理论意义，同样也有相当广泛的使用前景。

1.2常用的三维测量方法

自从上世纪60年代，激光被发明以来，光学测量技术就一直在飞速地发展着。所谓的光学测量技术，就是以光学理论为基本手段，采取分析、比较、计算等数学方法来测取物体没一点所对应的高度信息，光学测量方法的大概分类如以下结构图所示。